Nature Sustainability: 控制热辐射方向实现拥挤环境中的辐射冷却技术- 大数跨境

Nature Sustainability: 控制热辐射方向实现拥挤环境中的辐射冷却技术

两江科技评论

2019-08-22

导读：纽约州立大学Buffalo分校甘巧强教授课题组联合Wisconsin Madison的俞宗夫教授和沙特KAUST的Boon Ooi首次研究了辐射制冷在不同建筑环境中的效果。通过装配选择吸收的聚光镜，提

导读

纽约州立大学Buffalo分校甘巧强教授课题组联合Wisconsin Madison的俞宗夫教授和沙特KAUST的Boon Ooi首次研究了辐射制冷在不同建筑环境中的效果。通过装配选择吸收的聚光镜，提高了辐射制冷对环境的适应性。在拥挤的城市环境中，相对于之前报道的结构，本文的工作实现了更为有效的降温效果，并为之后的研究以及产业化提供了新思路。相关成果以“A polydimethylsiloxane-coated metal structure for all-day radiative cooling”为题发表于2019年8月的Nature Sustainability。论文共同第一作者是纽约州立大学Buffalo分校的周律、宋昊旻，以及KAUST的梁建伟。

研究背景

制冷是人类能源危机的主要挑战之一。一方面，随着工业的发展，人类对于制冷的需求逐年上涨；另一方面，生活水平的提升使得空调成了人们生活中必不可少的需求。然而，在不断增长的需求的背后却是对能源的加速消耗。在最近的调查统计报告中，全球每年用于空调的电量占据总用电量15%，在某些热带地区国家（例如沙特阿拉伯），这个数字甚至会达到惊人的70%。可见，在能源危机日趋严重的今天，如何实现更有效地制冷已经迫在眉睫。

近年来，辐射制冷技术因其零耗电的优势成为了新型绿色制冷技术的研究热点。通过大气窗口（8-13微米），选择性吸收/辐射材料可以有效并自发地将地面上的热量传输到外太空，有效实现了对地面环境的制冷。2014年斯坦福大学Shanhui Fan教授课题组首次报道了在白天不耗电的情况下实现低于室温的降温。其原理主要基于两点：第一是利用物体热辐射的特性以及大气层的选择通过窗口，将外太空作为冷源，将热量通过热辐射的方式传输出大气层。第二是通过制备选择性吸收的材料，来实现其在太阳波段的低吸收，从而降低太阳光所带来的光热效应。这项节能制冷的技术吸引了很多人的关注，近年来科罗拉多Bolder大学Xiaobo Yin、Ronggui Yang，Columbia大学Nanfang Yu、马里兰大学Liangbin Hu等课题组成果不断。

创新研究

在之前的研究中，大部分报道都是基于光子结构或者复杂的有机膜，对辐射制冷的实际应用环境的研究鲜有报道。然而，实际生活中绝大多数的制冷需求恰恰集中在高楼林立、拥挤不堪的城市区域。基于这一背景，纽约州立大学Buffalo分校甘巧强教授课题组联合Wisconsin Madison的俞宗夫教授和沙特KAUST的Boon Ooi教授课题组，通过在铝衬底上涂抹PDMS有机膜，并配以一种经特殊材料搭建的聚光部件，有效地实现了在复杂建筑环境中的辐射制冷。他们通过卷对卷的镀膜工艺，在商业铝板上涂抹了一层PDMS有机膜--其独特的光学特性在可见波段的吸收低于20%，并在8至13微米波段具有高吸收特性。研究发现，这种有机物－金属复合膜的光学特性对厚度的敏感性极低；低廉的生产价格加上卷对卷的生产工艺，使得该结构非常适用于辐射制冷的大规模工业生产。

本文对这种复合膜的辐射角度范围特性做了研究。为了系统性研究角度辐射对辐射制冷的影响，研究者进行了一系列的室内模拟实验。研究发现，随着辐射角度范围的变化，复合膜系统所能实现的制冷效果也会随之改变。当复合膜与冷源之间的通道被环境限制时（例如在一个四周高楼林立的广场），其所能达到的降温仅为2°C，远弱于不受限的情况（9.5 °C，例如在四面开阔的停车场）。此结果说明辐射角度范围对辐射制冷的影响非常大，因此，本文针对此问题进行了深入研究。

在模拟实验的基础上，研究者在不同的室外环境中进行了三组对比实验。实验结果表明，降温效果很容易受到测试环境的影响。辐射膜附近的障碍物，例如楼房，会阻挡相当大角度范围的热辐射，这使得辐射制冷的应用在城市环境中会非常受限。为了解决此问题，他们设计了针对日间辐射制冷的聚光镜。该聚光镜使用了特殊的材料搭建——在可见波段高吸收，在红外波段高反射。当盖置于复合膜上方，从复合膜发射出的大部分热辐射都可以被有效的反射并汇聚；原本被障碍物阻挡的热辐射也能够通过聚光镜的汇聚作用更有效地被传输到外太空，从而实现辐射制冷的能量交换。与此同时，由于聚光镜对太阳光的高吸收，辐射膜被太阳加热的缺点也得到了有效抑制，其在日光直射的白天也能够实现低于室温的制冷效果。在后续的48小时连续测试中，他们在北美居民区环境中（甘博士家的后院），实现了日间平均6 °C以及夜间平均8°C的降温，有效地验证了在实际城市建筑环境中的辐射制冷的应用探索。

图文速览

图1 （a）复合膜结构：PDMS有机膜（上）与铝衬底（下）。（b）复合膜的吸收光谱。蓝线为测试结果，红线为理论结果。内嵌图为可见波段的吸收谱。（c）复合膜随厚度变化的吸收色谱。（d）卷对卷制备设施。（e）复合膜照片。（f）样品的厚度测试。内嵌图为五个不同样品测试结果。

图2 （a）室内模拟装置示意图以及（b）照片。（c）复合膜的角度辐射谱的测试结果（左）和理论结果（右）。（d）室内模拟辐射实验结果。随着有效辐射角度范围的变化，复合膜的制冷效果也会随之变化。（e）上述测试的理论制冷功率。虚线代表对应角度的情况所能实现的理论降温。

图3 （a）大气透射谱（蓝线）以及太阳辐射谱。（b）复合膜的角度分布吸收谱。（c）户外测试示意图：复合膜置于泡沫隔热盒中，并被一层聚乙烯膜封装。一侧设有遮阳板。（d）（e）（f）户外测试的测试结果以及测试环境照片（无聚光）。（d）为复杂环境中的测试，（e）为相对复杂环境中的测试，（f）为开放环境中的测试。（g）制冷温度相对辐射角度范围变化关系图。